Elucidation of reproductive cycle-specific immunological and microbiological dynamics using bioimaging

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18H03969
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 野地 智法 東北大学, 農学研究科, 准教授 (10708001)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 北澤 春樹 東北大学, 農学研究科, 教授 (10204885) ; 米山 裕 東北大学, 農学研究科, 教授 (10220774) ; 戸村 道夫 大阪大谷大学, 薬学部, 教授 (30314321) ; 楠本 豊 大阪大谷大学, 薬学部, 准教授 (40252689) ; 守屋 大樹 大阪大谷大学, 薬学部, 助教 (30759759) ; 麻生 久 東北大学, 農学研究科, 教授 (50241625)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 乳汁IgA / 母子移行免疫 / 乳腺 / パイエル板 / 腸内微生物

Outline of Annual Research Achievements

本課題では、乳汁中に含まれる母子移行型IgA抗体（乳汁IgA）の産生メカニズムの解明を目指した研究を実施しており、授乳期の乳腺に集結するIgA産生形質細胞の大半が、小腸に発達する集合リンパ節として知られるパイエル板に由来していることを見出してきた。
母子移行型IgAの乳汁中濃度は、母体の腸内の微生物環境に大きく依存しており、事実、授乳期の母体に抗生物質（アンピシリン、ネオマイシン、バンコマイシンの３種混合）を自由飲水させることで、その値は有意に減少した。３種の抗生物質投与で認められた乳汁中の母子移行型IgA産生への影響は、バンコマイシン単独投与でも認められ、一方で、アンピシリンやネオマイシン単独投与では認められなかった。また、３種混合の抗生物質を用いて攪乱させた授乳期の母体の腸内環境を、健常な母体の糞便を経口投与（糞便移植）することで回復させた場合、母子移行型IgAの乳汁中濃度は有意に増加した。これらの結果は、バンコマイシンに感受性を示す特定の腸内微生物の存在により授乳期のパイエル板の機能が向上することで、乳汁中に含まれる母子移行型IgAの産生が促されていることを強く示唆していた。
SCIDマウスは、T細胞およびB細胞を欠いていることから、乳汁IgAを産生しない動物モデルとして知られている。このSCIDマウスに野生型マウスの骨髄細胞を移入したところ、全身性の免疫機能に加え、乳汁IgA産生が促され、さらには、腸内細菌叢も大きく変化することが示された。そこで、メタゲノム解析を駆使することで、乳汁IgA産生に関わる腸内微生物の特定を試みたところ、乳汁IgA産生に関わる2種の腸内微生物を特定することに成功した。事実、これら2種の微生物を授乳期の母体に経口投与したところ、乳汁IgA産生は有意に増加することが示され、授乳期特有の腸内微生物ーパイエル板ー乳腺経路の実態が明らかにされた。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

母子移行型の乳汁IgA産生に関わる腸内微生物（２種）の存在が突き止められ、乳汁免疫の質向上を可能にする応用研究を見据えた学術基盤が構築された。本課題の将来展望として、授乳期の乳腺免疫の機能向上による幼若動物の健全育成戦略の構築を目指しており、それを見据えた発展研究が既に開始されている。

Strategy for Future Research Activity

令和３年度の研究では、母子移行型の乳汁IgA産生に関わる腸内微生物（２種）が有する、パイエル板の免疫細胞に与える直接的・間接的影響を完全解明していく。その予備研究として、特定微生物を特異的に検出可能なFluorescence in situ hybridization(FISH)およびリアルタイムPCRの測定系を確立することに成功しており、それらを駆使することで、特定微生物の腸内およびパイエル板内での動態を詳細に評価していく。さらには、特定した腸内微生物をワクチンキャリアー株として開発するための研究も実施する。具体的には、ワクチン抗原（例：易熱性エンテロトキシンBサブユニット）を発現する遺伝子組換え株を特定微生物を用いて作出し、それを授乳期（もしくは妊娠期）の母体に経口接種することで、ワクチン抗原を特異的に認識する乳汁IgA産生を誘導可能な母子移行ワクチン開発を目指していく。本ワクチン開発が成功した暁には、免疫機能が未熟な幼若期の感染症制御に大きく貢献することは間違いなく、さらには、母体の乳腺で引き起こされる感染症（例：乳牛の乳房炎）に対するワクチン開発に向けた研究も大きく加速すると確信する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] カリフォルニア大学デービス校/テキサスA＆M大学(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: カリフォルニア大学デービス校/テキサスA＆M大学
• [Journal Article] L-Alanine Prototrophic Suppressors Emerge from L-Alanine Auxotroph through Stress-Induced Mutagenesis in Escherichia coli (2021)
  • Author(s): Harutaka Mishima, Hirokazu Watanabe, Kei Uchigasaki, So Shimoda, Shota Seki, Toshitaka Kumagai, Tomonori Nochi, Tasuke Ando, Hiroshi Yoneyama
  • Journal Title: Microorganisms Volume: 9 Pages: 472-472
  • DOI: 10.3390/microorganisms9030472
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] In vivo emergence of beige-like fat in chickens as physiological adaptation to cold environments (2021)
  • Author(s): Rina Sotome, Akira Hirasawa, Motoi Kikusato, Taku Amo, Kyohei Furukawa, Anna Kuriyagawa, Kouichi Watanabe, Anne Collin, Hitoshi Shirakawa, Ryota Hirakawa, Yuta Tanitaka, Hideki Takahashi, Guoyao Wu, Tomonori Nochi, Tsuyoshi Shimmura, Craig H. Warden, Masaaki Toyomizu
  • Journal Title: Amino Acids Volume: 53 Pages: 381-393
  • DOI: 10.1007/s00726-021-02953-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Organogenesis of Ileal Peyer's Patches Is Initiated Prenatally and Accelerated Postnatally With Comprehensive Proliferation of B Cells in Pigs (2020)
  • Author(s): Mutsumi Furukawa, Shun Ito, Shunichi Suzuki, Daiichiro Fuchimoto, Akira Onishi, Kanae Niimi, Katsuki Usami, Guoyao Wu, Fuller W. Bazer, Kouetsu Ogasawara, Kouichi Watanabe, Hisashi Aso, Tomonori Nochi
  • Journal Title: Frontiers in Immunology Volume: 11 Pages: 604674
  • DOI: 10.3389/fimmu.2020.604674
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Selection of Immunobiotic Ligilactobacillus salivarius Strains from the Intestinal Tract of Wakame-Fed Pigs: Functional and Genomic Studies (2020)
  • Author(s): Binghui Zhou, Leonardo Albarracin, Yuhki Indo, Lorena Arce, Yuki Masumizu, Mikado Tomokiyo, Md. Aminul Islam, Valeria Garcia-Castillo, Wakako Ikeda-Ohtsubo, Tomonori Nochi, Hidetoshi Morita, Hideki Takahashi, Shoichiro Kurata, Julio Villena, Haruki Kitazawa
  • Journal Title: Microorganisms Volume: 8 Pages: E1659
  • DOI: 10.3390/microorganisms8111659
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Norovirus-specific immunoglobulin A in breast milk for protection against norovirus-associated diarrhea among infants (2020)
  • Author(s): Hannah Karen Mina Labayo, Monica J. Pajuelo, Kentaro Tohma, Lauren A. Ford-Siltz, Robert H. Gilman, Lilia Cabrera, Holger Mayta, Gerardo J. Sanchez, Anniuska Toledo Cornejo, Caryn Bern, Clyde Dapat, Tomonori Nochi, Gabriel I. Parra, Hitoshi Oshitani, Mayuko Saito
  • Journal Title: EClinicalMedicine Volume: 27 Pages: 100561
  • DOI: 10.1016/j.eclinm.2020.100561
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] IL-12p40 gene expression in lung and hilar lymph nodes of MPS resistant pigs (2020)
  • Author(s): Akiko Sakuma, Shizuka Sugawara, Hikaru Hidaka, Mitsuru Nakajo, Yoshihito Suda, Tomoyuki Shimazu, Michael T. Rose, Megumi Urakawa, Tao Zhuang, Guoqi Zhao, Kouichi Watanabe, Tomonori Nochi, Haruki Kitazawa, Kazuo Katoh, Keiichi Suzuki, Hisashi Aso
  • Journal Title: Anim. Sci. J. Volume: 91 Pages: e13450
  • DOI: 10.1111/asj.13450
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Elucidation of the effects of a current X-SCID therapy on intestinal lymphoid organogenesis using an in vivo animal model (2020)
  • Author(s): Tomonori Nochi, Shunichi Suzuki, Shun Ito, Shotaro Morita, Mutsumi Furukawa, Daiichiro Fuchimoto, Yoji Sasahara, Katsuki Usami, Kanae Niimi, Osamu Itano, Minoru Kitago, Sachiko Matsuda, Ayumi Matsuo, Yoshihisa Suyama, Yoshifumi Sakai, Guoyao Wu, Fuller W Bazer, Kouichi Watanabe, Akira Onishi, Hisashi Aso
  • Journal Title: Cell. Mol. Gastroenterol. Hepatol. Volume: 10 Pages: 83-1100
  • DOI: 10.1016/j.jcmgh.2020.01.011
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Transcriptome Analysis of The Inflammatory Responses of Bovine Mammary Epithelial Cells: Exploring Immunomodulatory Target Genes for Bovine Mastitis (2020)
  • Author(s): Md Aminul Islam, Michihiro Takagi, Kohtaro Fukuyama, Ryoya Komatsu, Leonardo Albarracin, Tomonori Nochi, Yoshihito Suda, Wakako Ikeda-Ohtsubo, Victor Rutten, Willem van Eden, Julio Villena, Hisashi Aso, Haruki Kitazawa
  • Journal Title: Pathogens Volume: 9 Pages: 200
  • DOI: 10.3390/pathogens9030200
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Heat Stress causes immune abnormalities via massive damage to effect proliferation and differentiation of lymphocytes in broiler chickens (2020)
  • Author(s): Ryota Hirakawa, Siti Nurjanah, Kyohei Furukawa, Atsushi Murai, Motoi Kikusato, Tomonori Nochi, Masaaki Toyomizu
  • Journal Title: Front. Vet. Sci. Volume: 7 Pages: 46
  • DOI: 10.3389/fvets.2020.00046
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 高温感作による免疫疲弊を回避する鶏盲腸に発達する新たな免疫臓器Cecal patchの発見 (2021)
  • Author(s): 平川良太、喜久里基、古川恭平、古川睦実、宇佐美克紀、佐藤幹、豊水正昭、野地智法
  • Organizer: 第128回日本畜産学会
• [Presentation] 黒毛和種牛骨格筋における志望交雑の発達にはXII型コラーゲンの減少を伴う (2021)
  • Author(s): 田村亜香音、矢倉彩乃、酒井千紘、古川睦実、柴田昌宏、渡邊康一、野地智法、麻生久
  • Organizer: 第128回日本畜産学会
• [Presentation] 粘膜免疫学研究の最前線 ～粘膜ワクチン開発に向けた基礎研究から見えてきたこと～ (2021)
  • Author(s): 野地智法
  • Organizer: 大動物臨床研究会 第１０回東京シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Identification of the mechanisms responsible for maternal IgA secretion that depends on the gut microbial stimulation in Peyer's patches (2020)
  • Author(s): Katsuki Usami, Kanae Niimi, Mutsumi Furukawa, Saeka Uchino, Kouichi Watanabe, Hisashi Aso, Tomonori Nochi
  • Organizer: International Virtual Symposium "New Insights on Animal Science"
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The effects of heat stress on the immune function and morphological structure of avian gut-associated lymphoid tissues (2020)
  • Author(s): Ryota Hirakawa, Motoi Kikusato, Siti Nurjanah, Kyohei Furukawa, Mutsumi Furukawa, Katsuki Usami, Kan Sato, Masaaki Toyomizu, Tomonori Nochi
  • Organizer: International Virtual Symposium "New Insights on Animal Science"
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 出生直後のブタ回腸パイエル板の形態形成および機能成熟に関する組織学的研究 (2020)
  • Author(s): 古川睦実、伊藤駿、鈴木俊一、淵本大一郎、大西彰、渡邊康一、麻生久、野地智法
  • Organizer: 第163回日本獣医学会
• [Presentation] バイオサーファクタント（MEL-B）の有する脂質依存的な黄色ブドウ球菌増殖抑制効果 (2020)
  • Author(s): 山内清哉、山本周平、菅原知宏、曽我部敦、秦英司、古川睦実、米山裕、渡邊康一、麻生久、野地智法
  • Organizer: 第163回日本獣医学会
• [Presentation] 初乳中自然免疫因子Serum Amyloid Aの同定とその作用標的 (2020)
  • Author(s): 内野紗江佳、宇佐美克紀、佐々木志保、新實香奈枝、古川睦実、渡邊康一、麻生久、野地智法
  • Organizer: 第163回日本獣医学会
• [Presentation] 腸管免疫ダイナミクス～臓器間をつなぐ腸管に秘められた免疫の力～ (2020)
  • Author(s): 野地智法
  • Organizer: 第10回家畜感染症学会
  • Invited
• [Presentation] 乳腺免疫研究から見えてきたこと～哺乳動物の繁殖に欠かせない母体の免疫戦略～ (2020)
  • Author(s): 野地智法
  • Organizer: 第113回日本繁殖生物学会
  • Invited
• [Presentation] 免疫不全ブタを実験動物とした医農連携研究の最前線 (2020)
  • Author(s): 野地智法
  • Organizer: 第67回日本実験動物学会
  • Invited
• [Patent(Industrial Property Rights)] 乳汁中のIgA抗体含有量の増加剤 (2020)
  • Inventor(s): 野地智法、宇佐美克紀、麻生久、清野宏、藤橋浩太郎、佐藤慎太郎
  • Industrial Property Rights Holder: 野地智法、宇佐美克紀、麻生久、清野宏、藤橋浩太郎、佐藤慎太郎
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2020-146884